基于SPM檢測的牽引電機軸承故障診斷與檢修探討

張 毅，顧愷迪

（上海地鐵維護保障有限公司 車輛分公司，上海 200031）

0 引言

城市軌道交通車輛是復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，牽引電機是城市軌道交通車輛動力輸出的關(guān)鍵部件，其惡劣的工作環(huán)境和負載頻繁變換的工況，使牽引電機較易出現(xiàn)故障［1］。在眾多牽引電機類故障中，軸承故障是導(dǎo)致電機類故障的主要因素之一，故障率約占所有電機故障的40%，其故障形式通常為磨損、點蝕和內(nèi)圈外圈破裂等［2］。而一旦發(fā)生電機軸承損壞，將可能引起電機堵轉(zhuǎn)、齒輪箱損壞及輪軌擦傷等嚴重后果。而電機軸承的故障原因較為復(fù)雜且伴隨有諸多不確定因素，導(dǎo)致預(yù)防軸承失效的檢修極為困難。

目前在軌道交通領(lǐng)域常見的牽引電機軸承日常檢測方法主要有異聲診斷及SPM檢測。前者具有一定的故障預(yù)防作用，但其實施的效果完全取決于檢修人員的經(jīng)驗及專業(yè)性；后者檢測準確性高，但檢修一次需長時間使用檢修基地的抬車機資源。同時此兩種方法只能定性，而無法準確檢測出軸承的故障程度準確檢測出軸承的故障程度或等級，從而無法確定設(shè)備的最佳檢修時機［3］。

上海地鐵車隊數(shù)量超7 000節(jié)，列車檢修基地資源極為緊張，上述2種方式單一使用均不能滿足經(jīng)濟、合理預(yù)防牽引軸承故障的目標，急需一種合理、有效的牽引電機軸承檢測方案，在有效確保牽引電機軸承安全的前提下，最大限度的節(jié)省檢修資源，按需檢修。因此，本文立足于上海地鐵列車運維檢修實際情況，結(jié)合電機軸承故障檢修方式現(xiàn)狀進行分析，以得出較為適合列車運維體系的牽引電機軸承故障檢修策略。

1 電機軸承故障診斷方式現(xiàn)狀及分析

軸承故障診斷技術(shù)是一門綜合性學(xué)科，電機軸承的運行磨損、安裝誤差或電腐蝕等因素均會導(dǎo)致其發(fā)生故障，從而影響牽引電機的安全運行。目前地鐵列車牽引電機軸承的日常檢測方法主要有如下幾種：軸承異聲診斷、基于SPM設(shè)備的軸承狀態(tài)診斷、基于電信號的軸承磁鏈觀測診斷。

1.1 通過異聲診斷軸承故障

當軸承外圈或內(nèi)圈存在缺陷時，軸承在滾動過程中會產(chǎn)生異常的振動，當這種缺陷達到一定程度時，這些異常的振動一般會以異聲的形式呈現(xiàn)出來。檢修人員可以通過近距離觀察低速運行列車是否存在異聲的方式來判斷軸承狀態(tài)，同時軸承故障信號容易被背景信號淹沒［4］，這將降低故障判斷的準確性。如要提高檢查的準確性，可以將列車停在安靜的場地使列車處于禁止狀態(tài)后通過外力使得牽引電機軸承轉(zhuǎn)動，如使用鏇輪設(shè)備使車輪定速轉(zhuǎn)動也可以將齒輪箱與電機分離讓人員以一定的速度轉(zhuǎn)動電機軸承從而觀察電機軸承在轉(zhuǎn)動過程中是否存在異聲，但在此狀態(tài)下將大量占用車場檢測資源。

1.2 SPM方法診斷軸承故障

SPM法亦稱振動沖擊脈沖方法，用來監(jiān)測與診斷運行中滾動軸承的狀態(tài)與損傷程度的技術(shù)［5］。相比傳統(tǒng)診斷方法它具有以下特點［6］：無須專業(yè)人員進行分析，可直接獲取軸承損傷程度；診斷快捷、準確，可作為滾動軸承監(jiān)測的主要手段，系統(tǒng)適用性廣。目前SPM檢測設(shè)備是一種比較成熟的軸承狀態(tài)檢測設(shè)備，部分軸承廠家也有針對自身軸承產(chǎn)品特性所設(shè)計的SPM設(shè)備。

當軸承故障時會產(chǎn)生固定頻率的振動，通過沖擊脈沖傳感器可以記錄其高頻共振波形，對波形進行包絡(luò)、檢波、低通濾波（即解調(diào)），使其在32 kHz發(fā)生共振，然后通過高通濾波，將低頻振動濾掉，留高頻的軸承故障信號，只針對高頻的沖擊信號作分析處理，這種技術(shù)能夠檢測到很弱的沖擊故障信號，沖擊故障信號強弱反映故障程度。

1.3 基于電信號的軸承磁鏈觀測診斷

不論是通過異聲還是SPM設(shè)備來判斷電機軸承狀態(tài)，本質(zhì)上都是通過檢查軸承在滾動過程中所產(chǎn)生的異常振動來判斷軸承狀態(tài)，檢測方式較為直接但是也存在一定的局限性。相較于上述傳統(tǒng)的軸承診斷技術(shù)，基于電信號的診斷技術(shù)可以在不額外增加設(shè)備和檢修窗口的前提下診斷電機軸承狀態(tài)。在交流電動機中三相對稱電流通過三相對稱繞組會在電動機氣隙中產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場。當電機發(fā)生軸承故障時，滾動體經(jīng)過故障點時會造成感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子的一個徑向的位移，從而導(dǎo)致電機及轉(zhuǎn)子與定子間氣隙長度以及電機負載轉(zhuǎn)矩的變化，這種變化在電機定子電流中就會表現(xiàn)為微弱的周期性諧波脈沖［7］。

因此，當軸承出現(xiàn)故障時，可提取到軸承不同故障類型的磁通密度的特征頻率，進一步通過磁通密度與磁鏈之間的關(guān)系，可通過分析提取電機定子磁鏈來實現(xiàn)電機軸承故障診斷。圖1為磁鏈觀測電機軸承診斷示意圖。

圖1 磁鏈觀測電機軸承診斷示意圖

圖2 牽引控制圖

該方法的診斷流程如下。

（1）基于實測電流信號，采用Park變換獲得α／β軸電流；由于異步電動機三相原始動態(tài)模型相當復(fù)雜，分解和求解這組非線性方程十分困難，在實際應(yīng)用中必須予以簡化［8］。通過Park變換將在數(shù)學(xué)意義上可以將電機的三相靜止坐標系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標，便于后續(xù)磁鏈觀測的模型建立。

（2）定子磁鏈觀測模型是電機軸承狀態(tài)診斷的關(guān)鍵［9］，基于α／β和實測電機轉(zhuǎn)速，采用全階觀測模型，獲得電機磁鏈觀測值；交流電動機中三相對稱電流通過三相對稱繞組會在電動機氣隙中產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場。通過對全階觀測模型可以獲得電機磁鏈的觀測值以進行分析［10］。

（3）通過觀測獲取的磁鏈進行FFT分析，提取軸承故障的脈沖指標實現(xiàn)牽引電機軸承故障診斷。在診斷流程中，涉及主要技術(shù)是定子電流的Park變換以及基于定子電流和轉(zhuǎn)速的磁鏈觀測和對磁鏈值進行FFT分析提取故障特征。

1.4 軸承診斷方式分析

通過聲音來判斷電機軸承是否存在故障的方式不需要借助其他特殊工具，操作較為簡潔。但是聲音是否存在異常主要是依賴檢修人員經(jīng)驗及專業(yè)性來判斷，很難確定一個量化的標準或是明確的檢查規(guī)范進行推廣。同時越是嘈雜的環(huán)境異聲判斷的準確性越差，且并不能夠判斷軸承損傷的嚴重程度。

SPM方法可以準確地診斷軸承故障還可以呈現(xiàn)軸承的損傷程度，便于對列車的運營風(fēng)險進行合理的評估，但是使用SPM方法需要在列車電機軸承恒定轉(zhuǎn)速下進行，列車需通過鏇輪設(shè)備驅(qū)動車輪或者將列車抬起后通過外接驅(qū)動設(shè)備來驅(qū)動車輪恒速轉(zhuǎn)動。不論通過何種方式實現(xiàn)列車電機軸承的恒定轉(zhuǎn)速都需要耗費極大的場段資源及人力資源，所以很難通過這種方法對運營列車的電機軸承狀態(tài)進行長期持續(xù)的檢查。

相比于其他軸承診斷方式，磁鏈觀測方法的優(yōu)點是可以實時監(jiān)測電機軸承的狀態(tài)，不影響列車的正常運營使用及占用場段內(nèi)的檢修資源在軸承規(guī)定的維護周期（一般指列車的架修或大修周期）以外再單獨的對其進行額外的檢測。同時基于牽引電機軸承的狀態(tài)實時跟蹤性及軸承狀態(tài)的信息可視化，可以建立軸承故障模型，綜合軸承的故障嚴重程度及變化趨勢，進而合理制定生產(chǎn)檢修計劃，應(yīng)檢盡檢，提前安排窗口時間對故障列車進行維修。但是這種診斷方式也并非沒有缺點，目前普遍的城軌車輛設(shè)計中，牽引控制箱集中控制本節(jié)列車（指動車）的4臺牽引電機而并非單獨控制，電流電壓傳感器也僅布置于牽引箱內(nèi)，這就導(dǎo)致列車無法單獨獲得每臺電機的電流值。所以通過此種方式的監(jiān)測精度只能精確到單節(jié)車（指動車）而不能精確到單臺電機。

表1 軸承檢測方式比較

2 電機軸承檢測的建議方案

通過上文對幾種檢測方式的分析，可以發(fā)現(xiàn)采用磁鏈觀測的方式，其實時跟蹤的特性能夠保證對列車軸承的情況進行實時反饋，且無需占用車場資源（鏇床、架車機、車場天窗點、檢修人員等），更滿足地鐵列車檢修的需求。此外，考慮到列車正常運營過程中電機軸承的損傷過程是類似于線性的而并非階躍式的，所以實時跟蹤電機軸承狀態(tài)可以對其進行健康評估。在地面端對列車開展電機軸承的健康評估工作不但可以避免列車上記錄過多不必要的信息也可以根據(jù)采集的大量數(shù)據(jù)修正軸承的健康管理模型。針對磁鏈觀測的檢測精度至單節(jié)動車的薄弱點，則通過SPM檢測進行補充。

電機軸承檢測建議方案為：采用磁鏈觀測對軸承故障特征進行初篩，通過SPM檢測精準判斷動單節(jié)車牽引電機軸承故障點。具體檢測流程（圖3）如下：

圖3 電機軸承檢測策略流程圖

（1）牽引控制箱（DCU）診斷電機軸承狀態(tài)。采用磁鏈觀測的方式，通過DCU持續(xù)對本節(jié)車電機軸承的狀態(tài)進行監(jiān)測，并將電機數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果通過車載維護以太網(wǎng)發(fā)送至地面服務(wù)器，并對電機軸承的損傷程度進行跟蹤。

（2）根據(jù)診斷結(jié)果安排列車檢修計劃。通過地面服務(wù)器收集的各列車電機數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果，按電機軸承損傷程度及損傷趨勢，制定列車電機檢修計劃，合理分配車場檢修資源。

（3）對疑似軸承故障電機采用SPM檢測。在對電機軸承跟蹤過程中判斷軸承需進行更換時，對故障動車的四臺電機分別采用SPM檢測，確定故障電機。

采用這種檢查策略不但可以實時有效跟蹤列車電機軸承狀態(tài)最大限度確保運行安全，同時也避免了不必要的過度檢修，從而節(jié)省了生產(chǎn)成本。

3 電機軸承檢測的應(yīng)用實踐分析

上海地鐵13號線列車（6節(jié)編組A型車）具有車載無線傳輸設(shè)備并且無線傳輸設(shè)備接入了維護以太網(wǎng)，硬件方面均具備電機磁鏈觀測的條件，所以選用該車型進行實驗測試，如圖4～7所示。在對列車電機軸承跟蹤期間，發(fā)現(xiàn)1338號列車M2車存在電機軸承外圈及滾動體特征階次。使用SKF Microlog GX75手持式振動檢測分析儀，采用SPM方法對疑似故障的四臺電機進行檢測，發(fā)現(xiàn)四軸電機N端時域信號周期性沖擊特征明顯，加速度包絡(luò)頻譜和FFT頻譜中均出現(xiàn)較為明顯的外圈缺陷頻率。通過SPM檢測確認四軸電機存在故障，據(jù)此對故障電機進行拆解，如圖8、9所示。由圖可知，軸承外圈承載區(qū)存在明顯的“搓衣板”痕跡（指感不明顯，疑為被磨損），滾道面凹坑明顯、磨損嚴重，滾動體有明顯電腐蝕痕跡。

圖4 1338號列車軸承跟蹤圖

圖5 時域波形圖

圖7 FFT頻譜

圖9 滾動體

4 結(jié)束語

本文通過對幾種現(xiàn)有的日常牽引電機軸承失效檢測方式進行分析及應(yīng)用案例的實踐，提出采用磁鏈觀測的檢測方式實時跟蹤電機軸承狀態(tài)，并提供診斷結(jié)果，識別單節(jié)車的軸承故障風(fēng)險。再基于磁鏈觀測到的故障風(fēng)險，采用SPM的檢測方式，精準捕捉動車軸承故障點。通過將磁鏈觀測及SPM檢測組合的方式，實現(xiàn)電機軸承狀態(tài)實時跟蹤及狀態(tài)信息可視化，進而合理制定生產(chǎn)檢修計劃，節(jié)省大量檢修資源之余確保應(yīng)檢盡檢、按需檢查，同時又保證故障判斷的準確性，確保電機軸承的安全應(yīng)用，兼顧經(jīng)濟性及安全性，滿足地鐵列車的檢修需求。